CN110509570A - 一种新能源汽车电池盒箱体碳纤维预浸料铺放成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源汽车所用的复合材料构件成型及其加工技术领域，公开一种新能源汽车电池盒箱体碳纤维预浸料铺放成型方法，对电池盒箱体三维模型进行展开，获得所需碳纤维预浸料的平面形状及原始尺寸；对碳纤维预浸料原始尺寸进行进一步优化补充；根据电池盒不同部位设计不同尺寸不同形状碳纤维预浸料；在电池盒箱体模内具上进行碳纤维预浸料铺放，内部加强筋预浸料缠绕；设计碳纤维预浸料铺层顺序；布置电池盒外模具并将内外模具包真空袋抽真空进行固化处理；拆除模具。本发明的工艺方法适用于多种型号及尺寸的碳纤维构件的制作，具有制作效率高，构件成型质量好，对模具材质无要求等优点，同时，本发明的工艺方法对自动化成型具有较大的可行性。

Description

一种新能源汽车电池盒箱体碳纤维预浸料铺放成型方法

技术领域

本发明属于新能源汽车所用的复合材料构件成型及其加工技术领域，详细地是碳纤维预浸料的形状尺寸的规划以及铺放的工艺。

背景技术

随着汽车保有量的不断增加，传统能矿物源汽车的尾气排放问题日益成为空气污染的重要原因之一，并且随着原油价格的攀升以及各国政府部门的大力推动，电动汽车发展迅速，正日益成为人们日常出行的重要选择。电池作为电动汽车的动力核心，是电动汽车上必不可少的重要组成部分。目前由于电池技术的限制，汽车电池的体积和质量一般都很大，而电池盒作为汽车电池的保护和支撑，是汽车电池的主要承载部件，必须具有质量轻，强度高，耐高温，耐冲击等性能，电池盒的性能好坏将影响汽车电池能否正常工作，因此制作电池盒的材料及制作工艺对电动汽车的发展有着重要的意义。碳纤维增强复合材料比重不到钢材的四分之一，抗拉轻度却是钢的七倍，接近八倍，抗拉弹性模量也比钢高，因此采用碳纤维复合材料制作汽车电池盒不仅能够提高电池盒各方面的性能，而且能够极大地降低电池盒结构质量，提升整车的经济性。

目前碳纤维构件的成型制造主要分为两大类，一类树脂传递模塑成型(RTM)，即先铺放好用碳纤维布料，然后制作真空环境，利用真空把预制好的树脂吸入，使其充分浸润碳纤维布料，然后加热固化成型；另一类是热模压成型，即采用碳纤维预浸料铺放在模具上，用热压的方法进行固化成型，热模压成型具有生产效率高，适用于批量生产的的特点。由于汽车电池盒结构复杂，采用树脂传递方法制作，需要计算精确的树脂计量和复杂精细的流道设置，并且电池盒棱角较多，采用树脂传递方法制作极易产生贫胶和富胶，质量难以保证。而采用热模压成型法虽然工艺简单，但是所需热压成型设备投资高、生产耗能大，因此制造成本高。本发明结合上述两种方法，采用碳纤维预浸料铺放在电池盒内模具外侧，再用外模具施加压力，这样有效保证了电池盒的形状精度，另外将内外模具及铺好的碳纤维预浸料共同包真空袋，抽真空后，放入电烤箱加热成型。

发明内容

本发明结合两种传统碳纤维构件的制造方法，对电动汽车碳纤维电池盒的预浸料形状尺寸确定及铺放提供了一种工艺方法。本发明的技术方案：

一种新能源汽车电池盒箱体碳纤维预浸料铺放成型方法，步骤如下：

步骤(一)、对方形电池盒箱体的三维模型进行钣金展开，得到制作电池盒箱体的预浸料的平面形状和尺寸；

步骤(二)、对碳纤维预浸料原始尺寸进行进一步优化补充：考虑到电池盒接缝拐角较多，这些部位极易产生应力集中，因此在步骤(一)中展开的碳纤维预浸料需要进一步优化尺寸，(1)将步骤(一)展开的平面形状，去掉对称两端，整体形状为长方形，即为侧底；(2)将电池盒壁面相连的拐角接缝处的碳纤维预浸料沿法线方向相应加长，使拐角接缝处的碳纤维预浸料相互搭接，起到加强的作用；

步骤(三)、设计不同规格的碳纤维预浸料及铺放次序：

确定预浸料铺放位置，所有预浸料的铺放均在电池盒内模具外表面进行；按照由整体到局部的设计原则，按照下述步骤进行铺放：(1)交叉铺放侧底碳纤维预浸料，形状为长方形，其长度应满足电池盒两个翻边宽度、两侧壁高度及底面单侧边长三者之和，其宽度应为底面单侧边长；(2)铺放翻边碳纤维预浸料，其尺寸与电池盒翻边尺寸一致，铺放形式有两种，第一种是长方形，另一种是直角状，两种形式交替加强；(3)横向缠绕侧壁预浸料，预浸料长度为底面四条边长之和与拐角接缝处延长的尺寸总和，宽度根据电池盒侧面形状而定；(4)铺放侧面填充预浸料，使得电池盒外壁加强部位平整；(5)铺放外部加强筋预浸料，在电池盒壁面和底面中间铺放加强筋预浸料，形成十字交叉加强结构；单条加强筋预浸料的长度满足两个翻边宽度、两侧壁高度及底面单侧边长三者之和，其宽度为电池盒底面边长的1/3，其内部可根据需要进行镂空；步骤(1)-(3)根据预定层数循环铺放，最后铺放步骤(4)和(5)；

预浸料铺放层数n取决于电池盒的厚度D，以及碳纤维预浸料的单面厚度d，三者关系为n＝D/d；

步骤(四)、布置电池盒外模具并将内外模具包真空袋抽真空进行固化处理。预浸料铺放完成后把电池盒外模具覆在铺好的预浸料上，施加压力。使用耐高温薄膜制作真空袋，把内外模具及模具中间的碳纤维预浸料层共同包在真空袋内，抽真空并检查真空袋气密性良好后进行加热固化处理。内部加强筋制作单独的真空袋，铝合型材两端用耐高温胶封闭后抽真空并加热固化。

步骤(五)、拆除模具，得到碳纤维电池盒，对电池盒进行切边及钻孔加工并安装内部加强筋。电池盒箱体及加强筋加热固化后拆除真空袋，对得到的碳纤维电池盒及加强筋进行进一步的机械加工。电池盒箱体翻边需要进行切边加工，并在相应部位钻孔，得到平整的符合尺寸要求的翻边。内部加强筋两端按照尺寸要求切除。把每4根的加强筋组合成正方形加强框，再将加强框安装在电池盒内部预定位置。

本发明的有益效果：本发明的工艺方法具有普适性，能够适用于各种不同尺寸规格的方形电池盒制造，能够容易实现碳纤维电池盒的自动化、机械化制造，并且能够有效提高加工效率，节约碳纤维预浸料，降低生产成本，适用于批量化生产制造，本发明并对其他类型碳纤维构件的制造具有借鉴意义。

附图说明

图1为本发明碳纤维电池盒三维模型示意图A；

图2为本发明碳纤维电池盒三维模型示意图B；

图3为侧底碳纤维预浸料展开平面示意图；

图4优化后的侧底碳纤维预浸料；

图5外部加强筋碳纤维预浸料平面示意图；

图6为电池盒长方形翻边补强预浸料；

图7为电池盒直角状翻边补强预浸料；

图中：1电池盒翻边；2内部中间加强筋；3外部加强筋；4侧面下部；5侧面中部；6侧面上部；7内部下加强筋；8内部上加强筋；9侧面上凸起；10侧面下凸起；11底面。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步清晰、完整地描述。

本实施例中的电池盒箱体及内部加强筋的碳纤维预浸料的铺放制作是通过以下步骤实现的。

步骤(一)、对电池盒箱体的三维模型进行钣金展开，得到制作电池盒箱体的预浸料的平面形状和尺寸。如图1、图2所示为汽车电池盒三维模型示意图。由图1、图2可知，电池盒箱体包括底面、侧壁、翻边、外部加强筋、侧壁凸起、内部加强框等结构。首先根据碳纤维预浸料铺放特点，将电池盒箱体及翻边进行钣金展开，翻边需要预先绘制切口，侧壁展开的切口即为电池盒四条边线，外部加强筋作为整体单独展开，内部加强框预浸料形状相对简单，为矩形长条，无需钣金展开，在本步骤不予考虑。

步骤(二)、展开后的侧底预浸料如图3所示，整体为十字形，考虑碳纤维预浸料实际铺放过程中接缝处强度较弱的问题，需要将步骤(一)中展开的碳纤维预浸料进行进一步的尺寸及形状优化，将展开的呈十字形优化后整体形状为长方形，并将电池盒壁面相连的拐角接缝处的碳纤维预浸料沿法线方向相应加长15mm，在铺放后能够相互搭接起到加强的作用。

步骤(三)、所有预浸料的铺放均在电池盒内模具外侧进行。步骤(二)中优化的侧底碳纤维预浸料共需14层，电池盒翻边部位预浸料接缝较多，为了避免接缝处重复而降低强度，翻边补强预浸料采用两种规格设计：第一种采用长方形预浸料搭接铺放，一层补强需要4条，使铺放时接缝在四个边角；第二种采用直角状预浸料，同样一层补强需要4条，使铺放时接缝在翻边的中间。两种尺寸翻边补强预浸料各需20层。电池盒还需要横向缠绕侧壁预浸料，侧壁形状相对复杂，有两条高度为3mm的突起，因此，为了避免拐角处布料褶皱造成贫胶或富胶，将布料分成5部分，即上部、上凸起、中部、下凸起、下部。其中上部和下部规格尺寸相同为70×1510mm，共需6层，上凸起和下凸起规格尺寸相同为30×1530mm，共需6层，中部尺寸为50×1510mm，共需3层。电池盒箱体侧壁加强处还需要两种尺寸的侧面填充碳纤维预浸料将侧壁凸起两侧垫平，如图1、图2所示，垫平高度为3mm，碳纤维预浸料单面厚度为0.15mm，其中上、下部尺寸相同，都为30×120mm，四个面共需160层预浸料，中部尺寸为 55×120mm，四个面共需80层预浸料。电池盒外部加强筋预浸料尺寸为 120×780mm，共需20层。电池盒内部共4组加强框，每组加强框由4条加强筋组成，每条加强筋内部为5×10mm铝合金型材，外部是缠绕10层的碳纤维预浸料，每根加强筋所需预浸料尺寸为390×644mm，共需16层。

步骤(四)、本实施例中电池盒箱体预浸料铺放顺序如下：

1)在电池盒内模具外表面铺放侧底预浸料，交叉铺放4组即8层；

2)在翻边处铺放直角状预浸料10层，长方形预浸料10层；

3)横向缠绕侧壁预浸料铺放3层；

4)在电池盒内模具外表面铺放侧底预浸料，交叉铺放3组即6层；

5)在翻边处铺放直角状预浸料10层，长方形预浸料10层；

6)横向缠绕侧壁预浸料铺放2层；

7)侧面填充预浸料按相应部位每侧依次铺放20层，使填充处与凸起相平；

8)在电池盒壁面和底面中交叉铺放外部加强筋预浸料，共20层；

9)铝合金型材预浸料缠绕，用整块预浸料缠绕10圈，制成夹芯的铝合金长条。

步骤(五)、布置电池盒箱体外模具，在外模具内侧铺放聚四氟乙烯薄膜，并在外模具外侧四周施加均匀压力使铺好的预浸料层均匀受压。使用PE/PA聚合薄膜将内模具、碳纤维预浸料层、外模具共同包入制作密封环境，接空压管，使用真空泵抽真空，密闭后将包着模具和碳纤维预浸料层的真空袋整体放入电烤箱加热，加热温度120℃，保温时长120min。制作内部加强框的碳纤维夹芯长条同样制作真空袋包入，抽真空后和电池盒箱体真空袋一同放入电烤箱加热固化。

步骤(六)、拆除真空袋及内外模具，得到碳纤维电池盒和碳纤维夹芯长条，碳纤维长条两端沿轴线偏45°方向锯切，使长条能够两两对接成直角，16根长条制作4个加强框，加强框用树脂胶粘贴安装在电池盒箱体内部的盒口，盒中和盒低三个部位，盒中部位并排安装两个加强框，最后电池盒翻边部位进行切边及钻孔加工，得到工整的符合设计尺寸的碳纤维电池盒。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知的技术。

Claims (1)

1.一种新能源汽车电池盒箱体碳纤维预浸料铺放成型方法，其特征在于，步骤如下：

步骤(一)、对方形电池盒箱体的三维模型进行钣金展开，得到制作电池盒箱体的预浸料的平面形状和尺寸；

步骤(二)、对碳纤维预浸料原始尺寸进行进一步优化补充：(1)将步骤(一)展开的平面形状，去掉对称两端，整体形状为长方形，即为侧底；(2)将电池盒壁面相连的拐角接缝处的碳纤维预浸料沿法线方向相应加长，使拐角接缝处的碳纤维预浸料相互搭接，起到加强的作用；

步骤(三)、设计不同规格的碳纤维预浸料及铺放次序：

确定预浸料铺放位置，所有预浸料的铺放均在电池盒内模具外表面进行；按照由整体到局部的设计原则，按照下述步骤进行铺放：(1)交叉铺放侧底碳纤维预浸料，形状为长方形，其长度应满足电池盒两个翻边宽度、两侧壁高度及底面单侧边长三者之和，其宽度应为底面单侧边长；(2)铺放翻边碳纤维预浸料，其尺寸与电池盒翻边尺寸一致，铺放形式有两种，第一种是长方形，另一种是直角状，两种形式交替加强；(3)横向缠绕侧壁预浸料，预浸料长度为底面四条边长之和与拐角接缝处延长的尺寸总和，宽度根据电池盒侧面形状而定；(4)铺放侧面填充预浸料，使得电池盒外壁加强部位平整；(5)铺放外部加强筋预浸料，在电池盒壁面和底面中间铺放加强筋预浸料，形成十字交叉加强结构；单条加强筋预浸料的长度满足两个翻边宽度、两侧壁高度及底面单侧边长三者之和，其宽度为电池盒底面边长的1/3，其内部根据需要进行镂空；步骤(1)-(3)根据预定层数循环铺放，最后铺放步骤(4)和(5)；

预浸料铺放层数n取决于电池盒的厚度D，以及碳纤维预浸料的单面厚度d，三者关系为n＝D/d；

步骤(四)、布置电池盒外模具并将内外模具包真空袋抽真空进行固化处理；预浸料铺放完成后把电池盒外模具覆在铺好的预浸料上，施加压力；使用耐高温薄膜制作真空袋，把内外模具及模具中间的碳纤维预浸料层共同包在真空袋内，抽真空并检查真空袋气密性良好后进行加热固化处理；内部加强筋制作单独的真空袋，铝合型材两端用耐高温胶封闭后抽真空并加热固化；

步骤(五)、拆除模具，得到碳纤维电池盒，对电池盒进行切边及钻孔加工并安装内部加强筋；电池盒箱体及加强筋加热固化后拆除真空袋，对得到的碳纤维电池盒及加强筋进行进一步的机械加工；电池盒箱体翻边需要进行切边加工，并在相应部位钻孔，得到平整的符合尺寸要求的翻边；内部加强筋两端按照尺寸要求切除；把每4根的加强筋组合成正方形加强框，再将加强框安装在电池盒内部预定位置。